Arduino. Ультразвуковой датчик HC-SR04

Плата Arduino. x1
Компьютер(для написания и загрузке кода, а так же мы будем брать с него электричество и общаться с ним). x1
Провод для соединения компьютера и платы. x1
Ультразвуковой датчик HC-SR04
Провода. x4
Есть схемы с внешним источником питания, но можно взять питание и с платы.

Схема:

Скетч:

const int pinEcho = 7; 
const int pinTrig = 8; 
float v=331.5+0.6*20;
  
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pinEcho, INPUT);
  pinMode(pinTrig, OUTPUT);
}

float distanceSM(){
  digitalWrite(pinTrig, LOW);
  delayMicroseconds(3);
  digitalWrite(pinTrig, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pinTrig, LOW);

  float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks
  t = t/1000.0/1000.0/2; //s
  return t*v*100; //cm
}

void loop()
{
  Serial.print(distanceSM());
  Serial.print("cm");
  Serial.println();
  
  delay(1000);
}

const int pinEcho = 7;

const int pinTrig = 8;

float v=331.5+0.6*20;

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(pinEcho, INPUT);

pinMode(pinTrig, OUTPUT);

}

float distanceSM(){

digitalWrite(pinTrig, LOW);

delayMicroseconds(3);

digitalWrite(pinTrig, HIGH);

delayMicroseconds(5);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks

t = t/1000.0/1000.0/2; //s

return t*v*100; //cm

}

void loop()

{

Serial.print(distanceSM());

Serial.print("cm");

Serial.println();

delay(1000);

}

В начале задаём константы с номерами штырьков, к которым подключён наш HC-SR04 сенсор:

const int pinEcho = 7; 
const int pinTrig = 8;

1 2	const int pinEcho = 7; const int pinTrig = 8;

Контакт Echo нашего сенсора подключен к 7 штырьку, котакт Trig подключён к 8 штырьку.

Дальше определяем переменную v в которой будет храниться скорость звука

float v=331.5+0.6*20;

1	float v=331.5+0.6*20;

Скорость звука можно определить по формуле Лапаласа:

$$C=\sqrt{\frac{c_p}{c_v} * \frac{p}{\rho}}$$

где, $$p$$ давление; $$\rho$$ — плотность воздуха; $$c_ν$$ теплоемкость воздуха при постоянном давлении; $$c_p$$ теплоемкость воздуха при постоянном объеме.

Но так как у нас слишком мало данных… то сделаем так:

При нормальном давлении и температуре 0 градусов скорость звука равна 331 м/с.
А во влажном воздухе скорость звука увеличивается на 0,61 м/c при увеличении температуры на 1 градус.
и получится следующая формула:
$$c = 331+0,6*t+0,07*e$$
где $$t$$-это температура, $$e$$ — влажность.
В диапазоне температур ($$t$$) от —20° до +30° эта формула дает ошибку в скорости звука не более ± 0,5 м/сек. (Так как мы отбросили давление воздуха.)
Теперь посмотрим на форумулу которую использую я:

float v=331.5+0.6*20;

1	float v=331.5+0.6*20;

видно, что температура у меня задана примерно 20 градусов, а влажность вообще отброшена… точность данных измерений на лицо… но для показа принцира работы данного устройства должно хватить. Для повышения точности данного прибора нужно будет установить датчик влажности-температуры, например DTH11.

Дальше в функции setup определяем скорость передачи данных по USB, а так же назначаем штырьку к которому подключен контакт сенсора Echo состояние INPUT, а Trig соответственно OUTPUT.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(pinEcho, INPUT);
  pinMode(pinTrig, OUTPUT);
}

void setup() {

Serial.begin(9600);

pinMode(pinEcho, INPUT);

pinMode(pinTrig, OUTPUT);

}

Дальше объявим функцию distanceSM() в ней будет происходить всё волшебство. Разберём её по подробнее.

float distanceSM(){
  digitalWrite(pinTrig, LOW);
  delayMicroseconds(3);
  digitalWrite(pinTrig, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pinTrig, LOW);

  float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks
  t = t/1000.0/1000.0/2; //s
  return t*v*100; //cm
}

float distanceSM(){

digitalWrite(pinTrig, LOW);

delayMicroseconds(3);

digitalWrite(pinTrig, HIGH);

delayMicroseconds(5);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks

t = t/1000.0/1000.0/2; //s

return t*v*100; //cm

}

Сначала мы отсылаем сигнал продолжительностью 5 микросекунд

  digitalWrite(pinTrig, LOW);
  delayMicroseconds(3);
  digitalWrite(pinTrig, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pinTrig, LOW);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

delayMicroseconds(3);

digitalWrite(pinTrig, HIGH);

delayMicroseconds(5);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

Для этого мы сначала убеждаемся, что наш контакт Trig находится в состоянии LOW и соответственно сигнал не идёт. для этого на 3 микросекунды переводим его в состояние LOW

  digitalWrite(pinTrig, LOW);
  delayMicroseconds(3);

1 2	digitalWrite(pinTrig, LOW); delayMicroseconds(3);

Дальше формируем сигнал в 5 микросекунд, для этого мы подадим напряжение на ножку Trig в течении 5 микросекунд, а потом уберём напряжение.

  digitalWrite(pinTrig, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pinTrig, LOW);

digitalWrite(pinTrig, HIGH);

delayMicroseconds(5);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

осталось посчитать продолжительность времени импульса

float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks

1	float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks

То есть он будет ждать пока на ножку Echo не придёт сигнал, или пока данная функция не завершиться по таймауту. По умолчанию данная функция ждёт сигнал 1 секунду, что превышает 45 метров и это явно за грань чувствительности сенсора. У этой функции есть ещё и нижняя граница 10 микросекунд, что для нашего сенсора будет примерно 17 миллиметров тоже за гранью чувствительности так что pulseIn полностью нам подходит.

Осталось перевести время из микросекунд в секунды, подсчитать расстояние и вернуть значение.

t = t/1000.0/1000.0/2; //s
return t*v*100; //cm

1 2	t = t/1000.0/1000.0/2; //s return tv100; //cm

Осталась функция loop которая в бесконечном цикле будет с помощью функции distanceSM() получать расстояние до препятствия в сантиметрах. и выводить эти значения на USB порт:

void loop()
{
  Serial.print(distanceSM());
  Serial.print("cm");
  Serial.println();
  
  delay(1000);
}

void loop()

{

Serial.print(distanceSM());

Serial.print("cm");

Serial.println();

delay(1000);

}

Ещё установлена задержка в 1 секунду, чтоб не мельтешило.

Всё скетч кончился смотрим на результат работы скетча:

Не правильное опрделение расстояния до пушистых объектов:

Не правильное определение расстояния до поверхностей, находящихся под углом:

Другие статьи по программированию плат Arduino можно посмотреть здесь.

Комментарии 6

Этот код даёт обычную погрешность ±1,5cm. В чем его уникальность относительно стандартных которые не «подошли»? Я так понимаю, ардуина вообще не способна вычислять длину импульса с большой точностью. Команда pulseIn на микросекундах брешет как Троцкий. Я только усреднением по медиане с коэффициентом 30 смог добиться точных показаний. Но дело в том, что чем сильнее усреднение, тем дольше расчет. С большой скоростью и точностью обновлять показания не получиться. Может есть какие то варианты как можно с точностью до 1-2мкс измерить длину импульса в диапазоне 500 — 2500мкс.?

Код на этой странице без изменений:
Значения выборки из массива 200 шагов в сантиметрах
максимальное значение     185,92000	
среднее значение          184.15255    погрешность 02,37
минимальное значение      183,55000	

Код с библиотекой NewPing:
макс 189,00000	
сред 188.04425	погрешность 01,00
мин  188,00000	

// ---------------------------------------------------------------------------
// Example NewPing library sketch that does a ping about 20 times per second.
// ---------------------------------------------------------------------------

#include <NewPing.h>

#define TRIGGER_PIN  12  // Arduino pin tied to trigger pin on the ultrasonic sensor.
#define ECHO_PIN     11  // Arduino pin tied to echo pin on the ultrasonic sensor.
#define MAX_DISTANCE 200 // Maximum distance we want to ping for (in centimeters). Maximum sensor distance is rated at 400-500cm.

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); // NewPing setup of pins and maximum distance.

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Open serial monitor at 115200 baud to see ping results.
}

void loop() {
  delay(1);                     // Wait 50ms between pings (about 20 pings/sec). 29ms should be the shortest delay between pings.
  Serial.print(sonar.ping_median()/ US_ROUNDTRIP_CM); // Медиана = 30 Send ping, get distance in cm and print result (0 = outside set distance range)
  Serial.println("  cm");
}

Код на этой странице без изменений:

Значения выборки из массива 200 шагов в сантиметрах

максимальное значение 185,92000

среднее значение 184.15255 погрешность 02,37

минимальное значение 183,55000

Код с библиотекой NewPing:

макс 189,00000

сред 188.04425 погрешность 01,00

мин 188,00000

// ---------------------------------------------------------------------------

// Example NewPing library sketch that does a ping about 20 times per second.

// ---------------------------------------------------------------------------

#include <NewPing.h>

#define TRIGGER_PIN 12 // Arduino pin tied to trigger pin on the ultrasonic sensor.

#define ECHO_PIN 11 // Arduino pin tied to echo pin on the ultrasonic sensor.

#define MAX_DISTANCE 200 // Maximum distance we want to ping for (in centimeters). Maximum sensor distance is rated at 400-500cm.

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); // NewPing setup of pins and maximum distance.

void setup() {

Serial.begin(9600); // Open serial monitor at 115200 baud to see ping results.

}

void loop() {

delay(1); // Wait 50ms between pings (about 20 pings/sec). 29ms should be the shortest delay between pings.

Serial.print(sonar.ping_median()/ US_ROUNDTRIP_CM); // Медиана = 30 Send ping, get distance in cm and print result (0 = outside set distance range)

Serial.println(" cm");

}

Ответить

Убрал из статьи текст:
«Стандартные скетчи к сожалению нам не подоходят, поэтому рассмотрим следующий:»
Когда я писал статью arduino не подгружал так резво библиотеки. И я их считал, да и считаю чем то инородным сделанными на коленке.
Одно то, что возникают ситуации, что в библиотеке надо что то !править!. Что бы что то заработало. Меня вводит в уныние. Поэтому они небыли причислены мной к стандартным. Но это действительно вводит в замешательство. Поэтому убрал.

А теперь про точность. Там в середине статьи я пытаюсь объяснить как я вычисляю скорость звука. Так вот в этом размышлении для меня очевидно, что без датчика температуры можно добиться только приблизительного измерения.

А теперь чуть по подробнее вот скорость звука я говорю что вычисляю по формуле:
c=331+0,6∗t+0,07∗e в ней уже нет плотности воздуха… так как совсем не жалоко.. (буду говорить погрешность в конечной длине) меньше 1 милиметра на метр.
потом я отбросил 0,07∗e тоже меньше милиметра на метр выходило (может быть 2).
Но есть ещё температура я считаю что она равна 20 градусов. Но!
Погрешность ~2 милиметра на градус.

Тоесть если температура в помещении 26 градусов то это плюс 12 милиметров на метр .

Думаю сначала надо убрать эту погрешность. А потом браться за милисекунды. 🙂

Ответить

С прикреплённым датчиком DTH11 код выглядит так:

//---DTH11-------
const int dataPin = 2;
int temperature = -1;
int humidity = -1;
//---HC-SR04-----
const int pinEcho = 7; 
const int pinTrig = 8;

void setup(){
  Serial.begin(9600);
  //---HC-SR04-----
  pinMode(pinEcho, INPUT);
  pinMode(pinTrig, OUTPUT);
}

int readDTH11(){
  uint8_t recvBuffer[5];
  uint8_t cnt = 7;
  uint8_t idx = 0;
  for (int i = 0; i<5; i++) recvBuffer[i] = 0;
  
  pinMode(dataPin, OUTPUT);
  digitalWrite(dataPin, LOW);
  delay(18);
  digitalWrite(dataPin, HIGH);
  delayMicroseconds (40);
  pinMode (dataPin, INPUT);
  pulseIn (dataPin, HIGH);
  
  unsigned int timeout = 10000;
  for (int i=0; i<40; i++)
  {
    timeout =10000;
    while (digitalRead(dataPin) == LOW){
      if (timeout==0) return -1;
      timeout--;
    }
    
    unsigned long t = micros();
    timeout =10000;
    while (digitalRead(dataPin) == HIGH){
      if (timeout==0) return -1;
      timeout--;
    }
    if ((micros()-t)>40) recvBuffer[idx] |= (1 <<cnt);
    if (cnt == 0)
    {
      cnt = 7;
      idx++;
    }
    else cnt--;
  }
  humidity = recvBuffer[0];
  temperature = recvBuffer[2];
  uint8_t sum = recvBuffer[0]+recvBuffer[2];
  if (recvBuffer[4] != sum) return -2;
  return 0;
}

float distanceSM(){
  digitalWrite(pinTrig, LOW);
  delayMicroseconds(3);
  digitalWrite(pinTrig, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pinTrig, LOW);
 
  float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks  
  Serial.print("time: ");  
  Serial.println(t);
  
  t = t/1000.0/1000.0/2; //s  
  int ret = readDTH11();
    if(ret !=0) Serial.println(ret);
  /*float pnp;
  if (temperature<0) pnp=0.4;
  else if (temperature<8) pnp=1;
  else if (temperature<14) pnp=1.5;
  else if (temperature<18) pnp=2;
  else if (temperature<22) pnp=2.5;
  else if (temperature<25) pnp=3;  
  else if (temperature<27) pnp=3.5;
  else pnp=4.2;
  
  */
  float v = 331.5+0.6*temperature;//+0.07*(humidity*pnp/100);//Скорость звука
  return t*v*100; //cm
}

void loop(){
    int ret = readDTH11();
    if(ret !=0) Serial.println(ret);
    Serial.print("Humidity: ");Serial.print(humidity);Serial.println(" %");
    Serial.print("Temperature: ");Serial.print(temperature);Serial.println(" C");    
    Serial.print(distanceSM());
    Serial.print("cm");
    Serial.println();
    delay(2000);
}

//---DTH11-------

const int dataPin = 2;

int temperature = -1;

int humidity = -1;

//---HC-SR04-----

const int pinEcho = 7;

const int pinTrig = 8;

void setup(){

Serial.begin(9600);

//---HC-SR04-----

pinMode(pinEcho, INPUT);

pinMode(pinTrig, OUTPUT);

}

int readDTH11(){

uint8_t recvBuffer[5];

uint8_t cnt = 7;

uint8_t idx = 0;

for (int i = 0; i<5; i++) recvBuffer[i] = 0;

pinMode(dataPin, OUTPUT);

digitalWrite(dataPin, LOW);

delay(18);

digitalWrite(dataPin, HIGH);

delayMicroseconds (40);

pinMode (dataPin, INPUT);

pulseIn (dataPin, HIGH);

unsigned int timeout = 10000;

for (int i=0; i<40; i++)

{

timeout =10000;

while (digitalRead(dataPin) == LOW){

if (timeout==0) return -1;

timeout--;

}

unsigned long t = micros();

timeout =10000;

while (digitalRead(dataPin) == HIGH){

if (timeout==0) return -1;

timeout--;

}

if ((micros()-t)>40) recvBuffer[idx] |= (1 <<cnt);

if (cnt == 0)

{

cnt = 7;

idx++;

}

else cnt--;

}

humidity = recvBuffer[0];

temperature = recvBuffer[2];

uint8_t sum = recvBuffer[0]+recvBuffer[2];

if (recvBuffer[4] != sum) return -2;

return 0;

}

float distanceSM(){

digitalWrite(pinTrig, LOW);

delayMicroseconds(3);

digitalWrite(pinTrig, HIGH);

delayMicroseconds(5);

digitalWrite(pinTrig, LOW);

float t = pulseIn(pinEcho, HIGH);//mks

Serial.print("time: ");

Serial.println(t);

t = t/1000.0/1000.0/2; //s

int ret = readDTH11();

if(ret !=0) Serial.println(ret);

/*float pnp;

if (temperature<0) pnp=0.4;

else if (temperature<8) pnp=1;

else if (temperature<14) pnp=1.5;

else if (temperature<18) pnp=2;

else if (temperature<22) pnp=2.5;

else if (temperature<25) pnp=3;

else if (temperature<27) pnp=3.5;

else pnp=4.2;

float v = 331.5+0.6*temperature;//+0.07*(humidity*pnp/100);//Скорость звука

return t*v*100; //cm

}

void loop(){

int ret = readDTH11();

if(ret !=0) Serial.println(ret);

Serial.print("Humidity: ");Serial.print(humidity);Serial.println(" %");

Serial.print("Temperature: ");Serial.print(temperature);Serial.println(" C");

Serial.print(distanceSM());

Serial.print("cm");

Serial.println();

delay(2000);

}

Ответить

Anton

21.03.2017 в 10:08

надо зафотать и ещё одну статью замутить. 🙂 А на каком расстоянии +-2,5 см?
чтобы когда точность буду описывать было бы с чем сравнивать.

Ответить

Змей Горыныч

09.02.2019 в 05:07

спасибо очень помогло потому что стандартная программа не работала я уж грешным делом подумал что датчик бракованный

Ответить
AronS

03.05.2019 в 16:01

Скажи, плез, что за переменная pnp и как она высчитана?

Ответить

Arduino. Ультразвуковой датчик HC-SR04

Комментарии:

Комментарии 6

Добавить комментарий Отменить ответ